ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 5 ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΗΜΜΥ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ 1 Ι. ΠΑΠΑΝΑΝΟΣ ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2009
ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 1 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΠΛΗΣ ΕΝΙΣΧΥΤΙΚΗΣ ΒΑΘΜΙΔΑΣ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σκοπός της πρώτης εργαστηριακή άσκησης είναι η υλοποίηση μιας απλής ενισχυτικής βαθμίδας ικανής να οδηγεί μικρό φορτίο (π.χ. ένα μεγάφωνο). Έμφαση θα δοθεί στην εξοικείωση με τις βασικές ιδιότητες και εφαρμογές των ολοκληρωμένων τελεστικών ενισχυτών. Όπως είναι γνωστό, ο τελεστικός ενισχυτής είναι το πιο βασικό στοιχείο των αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Η έμφαση εδώ θα δοθεί στην ιδανική -ή σχεδόν ιδανική- συμπεριφορά του στοιχείου. Για το σκοπό αυτό θα χρησιμοποιηθεί η απλή και δημοφιλής τοπολογία τελεστικού ενισχυτή, η σειρά 741. Θα δούμε τον τελεστικό ενισχυτή περισσότερο σαν μαύρο κουτί με συγκεκριμένες μακροσκοπικές ιδιότητες, παρά σαν συγκεκριμένο ηλεκτρονικό κύκλωμα. Τις μακροσκοπικές αυτές ιδιότητες του τελεστικού ενισχυτή θα εκμεταλλευτούμε για να υλοποιήσουμε επιμέρους στάδια της ενισχυτικής μας βαθμίδας. Η εσωτερική δομή και λειτουργία των τελεστικών ενισχυτών θα εξετασθεί σε μαθήματα μεγαλυτέρων εξαμήνων. Επιπρόσθετα, στην παρούσα άσκηση θα χρησιμοποιηθούν απλά γραμμικά δίκτυα μιας σταθεράς χρόνου ως φίλτρα σήματος και διπολικά τρανζίστορ ισχύος για τη βαθμίδα εξόδου του ενισχυτή. Η άσκηση έχει σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε να αποτελείται από επιμέρους ανεξάρτητες βαθμίδες που μπορούν να αναλυθούν χωριστά. Η τελική υλοποίηση του ενισχυτή θα γίνει σε πλακέτα αλλά οι επιμέρους βαθμίδες μπορούν να δοκιμάζονται και να αναλύονται χωριστά σε breadboard στο Εργαστήριο Ηλεκτρονικής. Το breadboard μας επιτρέπει να υλοποιούμε μη μόνιμες συνδέσεις και έτσι να κατασκευάζουμε κυκλωματικές διατάξεις στο εργαστήριο με εύκολο και ευέλικτο τρόπο. Σημειώνεται τέλος ότι η ενισχυτική διάταξη χρησιμοποιεί παντού μόνο τροφοδοτικό 10V πράγμα που θα μας επιτρέψει στην συνέχεια να χρησιμοποιήσουμε την κυκλωματική διάταξη της δεύτερης εργαστηριακής άσκησης για την τροφοδοσία του ενισχυτή μας. Προς το παρόν όμως θα χρησιμοποιήσουμε τα τροφοδοτικά που είναι διαθέσιμα στο εργαστήριο. 2. ΣΧΗΜΑΤΙΚΟ ΙΑΓΡΑΜΜΑ ΕΝΙΣΧΥΤΗ Η κυκλωματική διάταξη του ενισχυτή φαίνεται στο Σχ.1. 1 2 3 4 Βαθυπερατό φίλτρο 1 K Απομονωτής Ενισχυτής Στάδιο ισχύος Φορτίο Σχ.1 : Σχηματικό διάγραμμα ενισχυτικής βαθμίδας Η πρώτη βαθμίδα αποτελείται από ένα βαθυπερατό φίλτρο το οποίο χρησιμεύει για να περιορίσει τα σήματα τα οποία καλείται να επεξεργαστεί ο ενισχυτής μας στη ζώνη των ακουστικών συχνοτήτων (audio).
Η δεύτερη βαθμίδα είναι ένας απομονωτής (buffer) ο οποίος χρησιμεύει για τη σωστή σύνδεση του φίλτρου με το επόμενο ενισχυτικό στάδιο (προενισχυτής), χωρίς απώλεια σήματος. Η τρίτη βαθμίδα είναι ο προενισχυτής του συστήματός μας ο οποίος χρησιμεύει για να φέρει το σήμα στην είσοδο του τελικού ενισχυτή στα κατάλληλα επίπεδα. Η τέταρτη βαθμίδα είναι ένας απλός ενισχυτής ισχύος με ένα τρανζίστορ το οποίο παρέχει στο φορτίο χαμηλής αντίστασης (π.χ. μεγάφωνο) το απαραίτητο για τη λειτουργία του ρεύμα. Στη συνέχεια, θα παρουσιαστούν οι επιμέρους βαθμίδες σε λεπτομέρεια και θα γίνουν μετρήσεις στην καθεμία από αυτές. Οι μετρήσεις θα γίνονται στο breadboard και με την ολοκλήρωσή τους, η καθεμία βαθμίδα θα μεταφέρεται στην πλακέτα ώστε να προχωρά η σύνθεση του τελικού κυκλώματος. Η ροή εκτέλεσης της άσκησης παρουσιάζεται στο Σχ.2 : ΑΡΧΗ n = 1 Κατασκευή στο breadboard βαθμίδας n Μετρήσεις στο breadboard βαθμίδας n Μεταφορά στην πλακέτα βαθμίδας n Έλεγχος συνολικής λειτουργίας κυκλώματος πλακέτας (βαθμίδες 1 έως n) n = 4? ΟΧΙ n = n + 1 ΝΑΙ Παρουσίαση πλακέτας Σύνταξη εργ. αναφοράς Σύνταξη αναφοράς SPICE ΤΕΛΟΣ Σχ.2 : Ροή εκτέλεσης εργαστηριακής άσκησης Όπως φαίνεται και στο Σχ.2, για κάθε επιμέρους βαθμίδα γίνεται ξεχωριστή κατασκευή στο breadboard και στη συνέχεια εκτελούνται οι ζητούμενες μετρήσεις στο εργαστήριο. Στο τέλος της άσκησης θα ζητηθεί και παρουσίαση των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων στο SPICE για κάθε επιμέρους βαθμίδα. Για το σκοπό αυτό και για την καλύτερη και αποτελεσματικότερη διεξαγωγή των εργαστηριακών μετρήσεων, ζητείται η εκτέλεση των προσομοιώσεων να γίνεται πριν την διεξαγωγή των αντίστοιχων μετρήσεων στο εργαστήριο.
Με την ολοκλήρωση των μετρήσεων μιας βαθμίδας, η βαθμίδα αυτή μεταφέρεται στην πλακέτα όπου γίνεται και ο ενδιάμεσος έλεγχος της λειτουργίας του ενισχυτή όπως αυτός έχει μέχρι στιγμής υλοποιηθεί. Με την ολοκλήρωση της κατασκευής γίνεται παρουσίαση στους υπευθύνους του εργαστηρίου σε συνδυασμό με προφορική εξέταση ενώ παραδίνεται και εργαστηριακή αναφορά με τα αποτελέσματα των μετρήσεων και προσομοιώσεων. 3. ΤΟ ΒΑΘΥΠΕΡΑΤΟ ΦΙΛΤΡΟ Στο Σχ.3 φαίνεται το κυκλωματικό διάγραμμα ενός απλού βαθυπερατού φίλτρου RC μιας σταθεράς χρόνου. Χρησιμοποιείται μια μεταβλητή αντίσταση R π μέχρι τα 500Ω και ένας πυκνωτής C 1 = 0.6μF. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ : Υπολογίστε την συχνότητα 3dB του φίλτρου όταν R π λαμβάνει τιμές : 100, 200, 300, 400 και 500Ω. ΕΡΩΤΗΣΗ : Ποια η λειτουργία του βαθυπερατού φίλτρου στο κύκλωμα του ενισχυτή; ΠΕΙΡΑΜΑ : Συνδέστε στην είσοδο του φίλτρου ημιτονοειδές σήμα πλάτους 1V και για R π = 250Ω να εκτελέσετε 20 μετρήσεις για σήμα συχνότητας από 50Hz έως και 30KHz. Σε κάθε περίπτωση θα μετράτε στον παλμογράφο τόσο το σήμα εξόδου όσο και το σήμα εισόδου. Με βάση αυτές τις μετρήσεις, σχεδιάστε το διάγραμμα Bode του φίλτρου. Επαναλάβετε για R π = 500Ω. 4. Ο ΑΠΟΜΟΝΩΤΗΣ Στο Σχ.4 φαίνεται το κυκλωματικό διάγραμμα του απομονωτή με χρήση του τελεστικού ενισχυτή 741. Στο παράρτημα θα βρείτε λεπτομερή περιγραφή του τελεστικού ενισχυτή 741. R 1 = R 2 = 100kΩ.
ΕΡΩΤΗΣΗ : Ποιος ο ρόλος των αντιστάσεων R 1 και R 2 στο κύκλωμα; ΕΡΩΤΗΣΗ : Τι θα συμβεί εάν η τιμή των R 1 και R 2 διπλασιαστεί; Αν υποδεκαπλασιαστεί; ΠΕΙΡΑΜΑ : (Ι) DC μετρήσεις. Συνδέστε στην είσοδο της διάταξης σήμα dc τιμών από 0V έως +10V. Μετρήστε με το πολύμετρο τόσο στην έξοδο όσο και την είσοδο του απομονωτή. 20 μετρήσεις είναι αρκετές. Σχεδιάστε τη dc χαρακτηριστική μεταφοράς του απομονωτή. ΠΡΟΣΟΧΗ! Να αφαιρεθεί ο διαιρέτης R 1 /R 2 για το πείραμα. Για το κύκλωμα του Σχ.5 συνδέστε στην είσοδο του απομονωτή ημιτονοειδές σήμα 1KHz, πλάτους 1V και μηδενικής μέσης τιμής. Παρατηρήστε την έξοδο του απομονωτή στην οθόνη του παλμογράφου. Επαναλάβετε το ίδιο για σήμα πλάτους 5V. (II) AC μετρήσεις (κύκλωμα Σχ.5). Συνδέστε στην είσοδο του απομονωτή ημιτονοειδές σήμα πλάτους 500mV και μηδενικής μέσης τιμής. Μετρήστε στον παλμογράφο τόσο το σήμα εισόδου όσο και το σήμα εξόδου για συχνότητες από 1KHz έως 1ΜHz. Χρησιμοποιείστε τις μετρήσεις για να χαράξετε το διάγραμμα πλάτους Bode του απομονωτή. C 2 = 0.5μF : Προσοχή στην πολικότητα του ηλεκτρολυτικού πυκνωτή! (βλ. Παράρτημα) ΕΡΩΤΗΣΗ : Ποίος ο ρόλος του πυκνωτή C 2 ; Γιατί είναι τόσο μεγάλης τιμής; Με την ολοκλήρωση των μετρήσεων στο breadboard, μεταφέρατε τον απομονωτή στην πλακέτα. 5. Ο ΠΡΟΕΝΙΣΧΥΤΗΣ Στο Σχ.6 φαίνεται το κυκλωματικό διάγραμμα του προενισχυτή με χρήση του τελεστικού ενισχυτή 741. Εδώ θα χρησιμοποιήσουμε διπλό τροφοδοτικό.
R 3 = 5.6kΩ, R 4 = 100kΩ. ΠΕΙΡΑΜΑ : Συνδέστε στην είσοδο του προενισχυτή μια ημιτονοειδή τάση πλάτους 100mV και συχνότητας 1kHz. Μετρήστε την τάση εξόδου στον παλμογράφο και υπολογίστε το κέρδος ενίσχυσης. Στη συνέχεια επαναλάβετε τις μετρήσεις για ημίτονα συχνοτήτων έως 1MHz. 15 τιμές είναι αρκετές. Σχεδιάστε το διάγραμμα Bode του προενισχυτή. ΕΡΩΤΗΣΗ : Αν στην αντίσταση R 3 συνδεθεί παράλληλα ένα δικτύωμα σειράς RC όπως φαίνεται στο Σχ.7, τι συμπεριφορά αναμένουμε να προσδώσει στον προενισχυτή; Συνδέστε τώρα τον προενισχυτή στο κύκλωμα της πλακέτας. Πραγματοποιείστε τη συνδεσμολογία που φαίνεται στο Σχ.8. Στο σημείο σύνδεσης της τροφοδοσίας +10V πάνω στην πλακέτα, συνδέστε παράλληλα ένα πυκνωτή 1μF όπως φαίνεται στο Σχ.9.
Ε ΡΩΤΗΣΗ : Ποιος ο ρόλος του πυκνωτή C 3 στη λειτουργία του κυκλώματος; Ε ΡΩΤΗΣΗ : Γιατί ο μη αναστρέφων ακροδέκτης του προενισχυτή συνδέεται στο διαιρέτη τάσης R 1 /R 2 ; 6. ΤΟ ΣΤΑ ΙΟ ΕΞΟ ΟΥ Στο Σχ.10 φαίνεται το κυκλωματικό διάγραμμα του σταδίου εξόδου του ενισχυτή το οποίο αποτελείται από ένα τρανζίστορ τύπου npn ικανού να οδηγήσει μεγάλα ρεύματα. +10V R C = 5.5Ω R C RΕ = 30Ω (ισχύος 2W) Είσοδος Q 1 C 4 RL = 8Ω για να αντιστοιχεί σε φορτίο ενός μεγαφώνου C4 = 100μF R Ε R L Q1 = είναι το διπολικό τρανζίστορ 2Ν2219 (βλ. Παράρτημα για τις προδιαγραφές του) Σχ.10 : Το στάδιο εξόδου Ε ΡΩΤΗΣΗ : Πώς θα συνδεθεί στην είσοδό του ημιτονοειδές σήμα πλάτους 1V και dc τιμής 5V; Π ΕΙΡΑΜΑ : (Ι) DC μετρήσεις : Πραγματοποιήστε την συνδεσμολογία του Σχ.10 και πολώστε τη βάση του τρανζίστορ στα 5V. Μετρήστε με το πολύμετρο όλες τις τάσεις και τα ρεύματα στους ακροδέκτες του τρανζίστορ το οποίο πρέπει να λειτουργεί στην ενεργό περιοχή. Ε ΡΩΤΗΣΗ : Ποιος ο λόγος χρήσης του πυκνωτή C 4 ; ΕΡΩΤΗΣΗ : Τι συνεπάγεται υποδεκαπλασιασμός της R Ε ; ΕΡΩΤΗΣΗ : Τι συνεπάγεται υποδεκαπλασιασμός της R L ; Ποια η συνθήκη μέγιστης μεταφοράς ισχύος; (ΙΙ) AC μετρήσεις : Συνδέστε στην είσοδο του σταδίου ημιτονοειδές σήμα πλάτους 1V και παρατηρήστε την τάση πάνω στο φορτίο στην οθόνη του παλμογράφου. Βρείτε το ac κέρδος της συνδεσμολογίας για ημίτονο συχνότητας 1KHz. Συγκρίνατε με την τιμή που έχετε υπολογίσει θεωρητικά. Επαναλάβετε για ημίτονα μέχρι συχνότητας 5MHz. 10 μετρήσεις είναι αρκετές. ικαιολογήστε τα αποτελέσματα σας.
Στη συνέχεια μεταφέρατε το στάδιο εξόδου στην πλακέτα. Ολοκληρώστε τις μετρήσεις στην πλακέτα συνδέοντας στην είσοδο του ολικού ενισχυτή ημιτονοειδές σήμα πλάτους 50mV και διαφόρων συχνοτήτων αρχίζοντας από τα 100Hz και καταλήγοντας στα 100KHz. Σε κάθε περίπτωση, παρατηρείστε την κυματομορφή εξόδου πάνω στο φορτίο RL στην οθόνη του παλμογράφου. Τέλος, συνδέστε στην είσοδο του ενισχυτή πηγή ακουστικού σήματος (π.χ. mp3 player) και στην έξοδο αντικαταστήστε την ωμική αντίσταση με μεγάφωνο. Καλή ακρόαση! ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΝΑΦΟΡΑΣ Με την ολοκλήρωση της πρώτης εργαστηριακής άσκησης πρέπει να συντάξετε ανά ομάδα μια εργαστηριακή αναφορά η οποία θα περιέχει τα ακόλουθα : (α) Συνδεσμολογίες και αναλυτικές εργαστηριακές μετρήσεις για κάθε επιμέρους στάδιο της άσκησης. (β) Θεωρητικούς υπολογισμούς που χρειάζονται. (γ) Αποτελέσματα προσομοίωσης στο SPICE για όλες τις συνδεσμολογίες. Σύγκριση των αποτελεσμάτων (α)-(β)-(γ) και αιτιολόγηση τυχόν αποκλίσεων.